专利名称：发酵液活菌浓度实时在线检测装置的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及微生物的检测，具体为生物发酵过程发酵液活菌浓度实时在线检测的装置。
二背景技术：
微生物发酵过程是极其复杂的生化反应过程，影响发酵过程的因素很多，如发酵液的成分和浓度、温度、PH值、搅拌速度、活菌的种类和浓度等等。在上述因素中，活菌浓度是最重要的工艺参数，因为在一定条件下，发酵的得率与活菌浓度密切相关。因此，发酵过程活菌浓度的实时在线检测对掌握和控制生物发酵过程、了解发酵信息、提高发酵质量、实现生物发酵的自动化具有重要意义。
目前，活菌浓度的离线测量方法有干重法，光密度法，细胞计数法，超声波测量法。干重法是基于地球重力的方法，首先需将发酵液过滤，用蒸馏水冲洗，然后放入微波炉和干燥器中干燥，再在电子天平上称量，连续做若干次，取平均值作为测量结果。干重法有许多缺点，首先，生物发酵过程中一般含有多种颗粒状的有机物和无机物，它们跟微生物混在一起，很难把它们与微生物分开。其次活的菌体和死的菌体对测量结果都有影响，而我们希望得到的是活的菌体数目。虽然干重法有这些缺点，但由于找不到其他更好的参照方法，所以目前人们仍把干重法作为一种参照方法。光密度法(即OD)是另一种参照方法，当用一定波长的光线照射发酵液时，菌体和颗粒状悬浮物对光有反射和散射作用，反射光或散射光与菌体细胞数量之间有一定的对应关系，根据此原理可制成生物量检测仪。但此类仪器的读数易受发酵液颜色、浊度及颗粒状悬浮物的影响，也不能排除死的菌体的影响，这类仪器很难用来测量淤泥状发酵物。为了检测活菌的数目和细胞的活性，通常采用细胞计数器或用亚甲基蓝染色，然后用显微镜观察计数。但这种方法要做多次稀释、观察计数，非常费时费力。超声波测量法是利用超声波通过发酵液时，其幅度会衰减，传播速度会有所改变，据此原理可制成生物量测量仪。但此类仪器易受发酵液成分变化、气泡、温度变化和粘稠度的影响。
上述方法是离线测量，都要从发酵罐中抽取样品，离线测量带来两个问题一方面取样过程中容易带进杂菌而感染发酵罐中的发酵液；另一方面离线测量具有很大的滞后性，给发酵过程的自动控制带来困难。
微生物细胞的存在会影响发酵的电特征，有学者试图通过阻抗测量法测活菌细胞浓度，但这种方法的研究未达到实际应用程度，因为即便在实验室条件下，发酵液的阻抗也会出现复杂变化。当发酵液的成分发生较大变化时，特别是发酵液中离子浓度发生较大变化时，阻抗测量法的准确性是很差的。
也有学者依据发酵液的电容率对于活菌浓度和测量频率的依赖性，采用电容率测量法对酵母活细胞浓度进行实时在线检测(酵母浓度实时在线检测方法的研究，食品科学，1999年12期)，检测系统由发酵器、铂电极、惠普网络分析仪、A/D转换器、计算机等组成。其中网络分析仪和铂电极造价高、不便于推广和普及。
三
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种成本低廉、工艺简单、便于工业实施的发酵液活菌浓度实时在线检测装置。
本实用新型提供一种发酵液活菌浓度实时在线检测装置的设计原理如下由于微生物的存在会影响发酵液的电特性，发酵液在无线电频率范围内的电特性可以用电容率(介电常数)来表征。发酵液在无线电频率范围内的电容率增量是其测量频率和活菌浓度的函数。这意味着可以通过测量发酵液的电容率来测量活菌浓度。但一般来说，发酵液的电容率不能直接测得，我们采用测量电容的方法来确定两电极间发酵液的电容率。如果在发酵液中放置一对同轴圆柱形电极，设内外电极半径分别为r、R，电极长度为l，则发酵液的电容率εf、电极电容Cf之间有如下关系ϵf=1nRr2πϵ0lCf]]>εf＝kCf(k=1nRr2πϵ0l)]]>因此，可以通过测量电极电容量的变化来确定发酵液电容率的变化Δεf。微生物发酵过程中，当活菌细胞浓度发生变化时，依据上述检测原理，发酵液的电容率εf会改变，从而电容传感器上的电容量发生变化。当电容Cf发生微小变化时，锁定放大器的输入信号电压Vi的幅值和相位发生相应变化。因为输入信号V·i=RR+1jωcfV·s]]>(忽略了锁放的输入阻抗)，其中Vs为高频正弦信号。当锁相放大器的输入信号频率锁定在参考信号频率上即ω＝ωR，调节Vi与VR间的相位差等于零时，锁定放大器输出电压的幅值Vo＝KVi。其中K为放大倍数，锁定放大器参数选定后，它为一常数。因此，最终可用输出电压变化来反映活菌浓度的变化。
本实用新型提供的生物发酵液活菌浓度实时在线检测装置，它由电极电容传感器、中间变换装置、A/D转换器、计算机、显示器和打印机组成。
电容传感器的作用是把非电量信号(活菌浓度)转换为电信号(电容量)，由于电容传感器检测到的输出信号较弱，故准确灵敏地测出由活菌浓度变化而引起的微小电容变化量是电容模式下中间变换装置要解决的主要任务。
中间变换装置采用锁定放大器来实现，锁定放大器是以相干检测技术为基�。貌慰夹藕牌德视胧淙胄藕牌德氏喙兀朐肷德什幌喙兀佣釉肷尘爸刑崛∮杏眯藕�。这种电路具有极强的抗干扰性、高灵敏性、很宽的动态范围，可以被用作微弱信号的检测。锁定放大器输出的电压信号经A/D转换后送给计算机进行数据滤波处理，得到所需的数据。数据处理采用软件完成，所用滤波方法为中值平均滤波法。
上述电容传感器由聚四氟乙烯套、同轴圆柱形内电极、外电极及电极引线构成；电极安装在聚四氟乙烯套上，并穿过聚四氟乙烯套与电极引线相连接；同轴圆柱形内外电极由不锈钢管上静电喷涂无毒、无害耐高温的塑粉绝缘材料制成，在内电极下方固定一圆形堵头，在外电极上钻有小孔，一方面使得活菌细胞容易通过，另一方面使得内外电极面积尽量相等；内外电极分别做绝缘处理后再安装。所述的中间变换装置为锁定放大器，锁定放大器与电容传感器及函数信号发生器相连接。
与已有技术相比，本实用新型具有如下特点和效果首先，本实用新型中间转换装置采用锁定放大器，电极电容传感器采用不锈钢管上静电喷涂无毒、无害耐高温的塑粉绝缘材料制成，大大降低了检测装置的成本，检测方法简便易行，便于推广实施。其次，本实用新型提供的检测方法及装置可以实时在线检测生物发酵过程活菌细胞浓度，检测结果不受死的菌体细胞影响，也不受发酵过程中发酵液成分变化的影响，能够准确反映发酵生产过程中微生物的生长状态。
四
图1为本实用新型检测装置示意图图2为本实用新型电容传感器结构示意图图3为本实用新型活菌浓度检测电路图图4为本实用新型检测电压输出曲线纵坐标表示电压(伏)，横坐标表示发酵时间(天)。
图5为微生物细胞不同生长阶段特性曲线纵坐标表示活菌数(实线)与总菌数(虚线)的对数，横坐标表示发酵时间(小时)。
五具体实施方式
本实用新型活菌浓度检测装置如图1所示，它由发酵罐1、电容传感器2、中间变换装置3、A/D转换器4、计算机5、显示器6、打印机7组成。
电容传感器2的结构如图2所示，它由同轴圆柱形内电极8、外电极9、聚四氟乙烯套12及电极引线11构成；电极安装在聚四氟乙烯套12上，并穿过聚四氟乙烯套12与电极引线相11连接；同轴圆柱形内电极8、外电极9由不锈钢管上静电喷涂无毒、无害耐高温的塑粉绝缘材料制成，在内电极8下方固定一圆形堵头10，在外电极9上钻有小孔，一方面使得活菌细胞容易通过，另一方面使得内外电极面积尽量相等。
所述的中间变换装置3为锁定放大器，锁定放大器与电容传感器2及函数信号发生器13相连接。外电极的直径为16mm，内电极直径为6mm，内外电极厚度均为1mm，电极长度为135mm。
锁定放大器的连接如图3所示，函数发生器13的输出端通过Q9头一端与电容传感器2的一条引线相连，另一端与锁定放大器3的参考输入信号端port2相连，电容传感器2的另一条输出引线与锁定放大器3的信号输入端port1相连，函数发生器13的地端port4与锁定放大器3的地端port5相连；锁定放大器3的输出与A/D转换器4的输入端连接，A/D转换器4的输出通过25芯电缆插入计算机5的接口插槽上。A/D转换器4选用9014模入接口卡，它包括一片12位A/D转换器、多路转换开关、采样保持器、总线接口控制器等，板上备有地址开关可任意设置I/O地址。从模拟量到数字量的转换可如下求得
V＝N×5000/2048-5000其中V表示数字量，N表示对应的模拟电压值。
所述的锁定放大器选用ND-201型双相精密锁定放大器，函数发生器13选用1163W型函数发生器。
调节函数发生器13，输出频率为50KHZ、幅度为1V的正弦信号；选择锁定放大器3的灵敏度为1200×120，带通滤波器的截止频率为25KHZ～62.5KHZ，时间常数为300ms；电阻R＝25KΩ。
采用本实用新型检测装置实时在线检测发酵液中活菌浓度实验如下所用菌种为面包酵母菌，培养基用黄浆水，实验用一升的发酵器进行，内盛700毫升培养液，为使发酵器中的酵母细胞均匀，使用了磁力搅拌器连续搅拌发酵液，搅拌速度为140转/分，发酵温度基本控制在28℃，发酵液PH值控制在5.0左右。
根据面包酵母菌发酵过程实时在线检测到的实验数据，拟合出了发酵不同阶段检测系统输出电压曲线(如图4所示)，该电压值反映了活菌浓度的变化。这条曲线反映出发酵过程活菌细胞生长经历的几个不同阶段，在线检测实验是从接种后开始进行的，此时检测到的输出电压值较小且基本保持不变，说明细胞生长处于迟滞期；发酵经过1天之后，输出电压开始增长，说明细胞生长进入对数增长期；发酵经过4天后，输出电压达到最大且有一段最大平台期，说明细胞生长进入稳定期；进入第5天后，检测输出电压逐渐迅速下降，细胞生长到了衰亡期。它与发酵过程微生物细胞不同生长阶段特性曲线(如图5所示)基本相符，说明了该检测方法的可行性与有效性。
由于本发酵实验中所用培养基黄浆水中含有少量乳酸菌，而本检测方法检测到的是所有活菌细胞的浓度，这给检测结果带来误差，使细胞生长衰亡期的活酵母菌浓度检测结果与离线细胞计数法测量结果有一些偏差。但是一般生物发酵的菌种要求是单一菌种，不允许有其他杂菌存在，这样就可以消除此误差。
权利要求1.一种发酵液活菌浓度实时在线检测装置，它由电容传感器(2)、中间变换装置(3)、A/D转换器(4)、计算机(5)组成，其特征在于所述的中间变换装置(3)为锁定放大器，并采用函数发生器(13)的输出信号作为锁定放大器的参考输入信号。
2.按照权利要求1所述的一种发酵液活菌浓度实时在线检测装置，其特征在于所述的电容传感器(2)由同轴圆柱形内外电极(8)、圆柱形外电极(9)、聚四氟乙烯套(12)及电极引线(11)构成；电极安装在聚四氟乙烯套(12)上，并穿过聚四氟乙烯套(12)与电极引线(11)相连接；并在外电极(9)上钻有小孔，在圆柱型内电极(8)下部固定一圆形堵头(10)。
3.按照权利要求2所述的一种发酵液活菌浓度实时在线检测装置，其特征在于所述的同轴圆柱形内电极(8)、外电极(9)由不锈钢管上喷涂绝缘材料制成。
专利摘要一种发酵液活菌浓度实时在线检测装置，由电极电容传感器、锁定放大器、A/D转换器、计算机组成。所述的电容传感器(2)由同轴圆柱形内电极(8)和外电极(9)、聚四氟乙烯套(12)及电极引线(11)构成；电极安装在聚四氟乙烯套(12)上，并穿过聚四氟乙烯套(12)与电极引线(11)相连接；并在外电极(9)上钻有小孔，在圆柱型内电极(8)下部固定一圆形堵头(10)。该装置成本低廉，检测方法简便易行，检测结果能够准确反映发酵生产过程中微生物的生长状态，便于工业推广实施。
文档编号G01N27/22GK2674449SQ20042000511
公开日2005年1月26日 申请日期2004年2月11日 优先权日2004年2月11日
发明者乔晓艳 申请人:山西大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
